¿La coincidencia de impedancia implica que algún transmisor de RF práctico deba desperdiciar> = 50% de la energía?

De acuerdo con el teorema de transferencia de potencia máxima, cuando se proporciona una impedancia de fuente fija, la impedancia de carga debe elegirse para que coincida con la impedancia de fuente para lograr la transferencia de potencia máxima.

Por otro lado, si la impedancia de la fuente no está fuera del alcance de los diseñadores, en lugar de hacer coincidir la carga con la impedancia de la fuente, la impedancia de la fuente simplemente se puede minimizar para lograr la máxima eficiencia y transferencia de energía, es una práctica común en las fuentes de alimentación. y amplificadores de audio frecuencia.

Sin embargo, en los circuitos de RF, para evitar problemas de integridad de la señal, pérdida de reflexión y daños en el amplificador de RF de alta potencia debido a la reflexión, se debe usar la adaptación de impedancia para hacer coincidir toda la impedancia de la fuente, la impedancia de carga y también la impedancia característica de la línea de transmisión, y finalmente la antena.

Si mi comprensión es correcta, una fuente y carga coincidentes (por ejemplo, una salida de amplificador de RF y una antena) forman un divisor de voltaje, cada uno recibe la mitad del voltaje. Dada una impedancia total fija, significa que siempre se desperdicia el 50% de la energía al quemar y calentar el transmisor de RF.

Entonces, ¿es correcto decir que la coincidencia de impedancia implica que la eficiencia de cualquier transmisor de RF práctico no puede ser superior al 50%? ¿Y cualquier transmisor de RF práctico debe desperdiciar al menos el 50% de la energía?

Si su fuente de alimentación es una fuente de voltaje de salida de cero ohmios, seguida de una resistencia de 50 ohmios, entonces sí, lo que cree que es correcto.

Sin embargo, los amplificadores de RF prácticos (al menos los diseñados para ser eficientes) nunca se construyen así. Tienden a tener un emisor común de baja impedancia o una etapa de fuente seguida de una coincidencia de impedancia reactiva, todos diseñados para operar a 50 ohmios.

Curiosamente, si usted compra un generador de señal de propósito general, la salida se construye generalmente como una fuente de tensión siguió con una verdadera resistencia de 50 ohmios, ya que la eficiencia no es un problema, y que tiene una impedancia de salida definida con precisión sobre un rango de frecuencia muy amplia es la Objetivo principal del diseño.

Los amplificadores de RF NO tienen en general una impedancia de salida remotamente cercana a 50R ... ¡Sin embargo, están diseñados para manejar una carga de 50R!

Al igual que los amplificadores de audio, la impedancia de la fuente generalmente está lejos de la impedancia de carga de diseño, porque NO desea la máxima transferencia de potencia, ¡desea algo más cercano a la máxima eficiencia!

Dependiendo de la topología, las cosas se aproximan a fuentes de voltaje (baja impedancia de salida) o fuentes de corriente (alta impedancia de salida).

Si piensa en, por ejemplo, HF, etapa de salida Push-pull, los dispositivos funcionan a cierto voltaje y corriente diseñados, por lo tanto, cierta 'impedancia' (generalmente bastante baja), que luego se transforma en un estándar de la industria 50R.

El diseñador establece esta impedancia para que genere algo de voltaje a través de esa carga 50R que proporcionará cualquier nivel de potencia diseñado. Tenga en cuenta que esos dispositivos de salida podrían estar en la clase C profunda o incluso en la clase F y estar operando esencialmente como interruptores que se disipan cerca de la potencia cero, pero yo como diseñador todavía necesito decidir qué voltaje y qué corriente elegir como punto de operación y, por lo tanto, qué transformación Necesito llegar a la potencia objetivo en la salida.

Ahora, claramente, si intenta ejecutar un amplificador de este tipo en una carga muy alejada de 50R, entonces los voltajes y las corrientes vistos por los dispositivos de alimentación serán diferentes a los previstos por el diseñador, y si llega demasiado lejos, sale humo.

Otra complicación son los filtros de salida y (en UHF y arriba) la posibilidad de un circulador terminado en la salida que realmente hace que la cosa parezca 50R mirando hacia la entrada.

Entonces, ¿es correcto decir que la coincidencia de impedancia implica que la eficiencia de cualquier transmisor de RF práctico no puede ser superior al 50%? ¿Y cualquier transmisor de RF práctico debe desperdiciar al menos el 50% de la energía?

No eso está mal. El diagrama en su publicación carece del bloque de construcción esencial en esta discusión: el amplificador en sí.

Todos los amplificadores pueden describirse de acuerdo con su PAE (Eficiencia de potencia añadida).

PAE es el parámetro clave aquí, porque es probable que la ganancia del amplificador sea muy alta. La potencia transferida AL AMPLIFICADOR por el generador, cuando se igualan las impedancias, será solo el 50% de la potencia máxima del generador. Pero si la ganancia es lo suficientemente alta, la energía desperdiciada en la impedancia interna del generador será muy baja en comparación con la energía suministrada por el amplificador a la carga. Por lo tanto, el impacto en la eficiencia total es probable que sea bajo.

$\eta = P_{out}/P_{supply}$

Entonces, ¿es correcto decir que la coincidencia de impedancia implica que la eficiencia de cualquier transmisor de RF práctico no puede ser superior al 50%? ¿Y cualquier transmisor de RF práctico debe desperdiciar al menos el 50% de la energía?

No, no es correcto decir eso.

Lo que debe asegurarse al conectar el amplificador a la antena a través de un cable (normalmente coaxial) es que no haya reflejos significativos de potencia de la carga (antena) que puedan dañar el amplificador o hacerlo menos efectivo.

Si la impedancia de la antena coincide con la impedancia característica del coaxial, entonces el amplificador puede conducir el extremo de alimentación del coaxial sin requerir ninguna resistencia de fuente en serie. La impedancia vista en el extremo accionado será la impedancia de la antena porque coincide con la impedancia característica del cable.

La impedancia consta de partes reales (resistivas) e imaginarias (reactivas). Solo la parte real (resistiva) disipa el poder. Teóricamente, uno podría tener una impedancia puramente reactiva con una magnitud de 50 ohmios y no disipar ninguna potencia.

Las unidades de impedancia son voltios por amperio. Cuando hablamos de la impedancia de una línea de transmisión, en realidad estamos hablando de cuánta corriente necesitaría ser alimentada a la línea para hacer que se propague un voltaje de cierta magnitud a lo largo de la línea. Significa la relación del voltaje y la corriente.

Por ejemplo, el cable CAT-5 tiene una velocidad de propagación de aproximadamente 0.64 * C. También tiene una capacidad de aproximadamente 15pF por pie (48pF por metro). Su impedancia está determinada principalmente por la capacitancia entre los pares trenzados (por supuesto, hay algunos componentes inductivos y resistivos pequeños).

Si ponemos una señal de 1V en un extremo de la línea, la señal se propagará a 192,000,000 m / s, por cada 1 metro que viaje la señal necesitará cargar 48pF a 1V (es decir, 48pC).

1V * 48pF / m / (180M m / s) = 9.44mA.

1V / 9.44mA = 105.9 ohmios (que está muy cerca de la impedancia nominal de 100 ohmios).

Esto es correcto. Un amplificador "práctico" tendrá que coincidir con la salida que consiste en conectores, cables, antena. Para la entrega de energía máxima eventual a la antena,> = 50% se desperdiciará en otro lugar.